Изыскание новых технологических решений селективной отработки Эльгинского угольного месторождения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© С.А. Ермаков, Л.М. Бураков, Д.В. Хососв, 2008

УДК 622.063.44:622.33 (571.56

С.А. Ермаков, А.М. Бураков, Д.В. Хосоев

ИЗЫСКАНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СЕЛЕКТИВНОЙ ОТРАБОТКИ ЭЛЬГИНСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Семинар № 16

В настоящее время рассматриваются вопросы освоения одного из крупнейших на Северо-Востоке России Эльгинского угольного месторождения. В имеющихся предпроектных проработках предлагается в основном цикличная технология с использованием автомобильно-экскаваторных комплексов (причем на основе импортного оборудования) и буровзрывной подготовки. Необходимо рассмотреть альтернативные технологические решения и оборудование, применяемые в России и за рубежом для безвзрывной селективной выемки полезного ископаемого.

Горно-геологические условия месторождения являются достаточно выдержанными и подходят для крупномасштабных открытых горных работ. Углевмещающая толща суммарной мощностью около 200 м содержит 22 угольных пласта рабочей мощности. К мощным отнесены пять угольных пластов толщиной от 4,8 до 9,9 м, содержащие около 90 % запасов угля месторождения. Пласты угля имеют пологое, 2-5 град., залегание.

Физико-механические свойства углей приведены в табл. 1.

Вскрышные породы делятся на два типа: рыхлые четвертичные отложения и коренные, отнесенные к полу-скальным средней крепости.

Анализ физико-механических свойств пород показал, что отложения ундытканской свиты имеют большую объемную массу, обладают большей прочностью по сравнению с нижележащими отложениями нерюн-гриканской свиты. Из всех пород наименьшую прочность имеют конгломераты, затем алевролиты, песчаники крупнозернистые (кз), песчаники среднезернистые (сз), а наибольшей прочностью обладают песчаники мелкозернистые (мз) (табл. 2).

В настоящее время при отработке угольных пластов большинства месторождений пропластки с низким содержанием полезного компонента или вообще пустые породы включаются в полезную толщу, снижая этим качество добываемого сырья. На многих разрезах тонкие угольные пласты мощностью менее 1 метра удаляются в отвалы вместе с вмещающими вскрышными породами, а прослои пустых пород с такой же мощностью включаются в отработку угольного пласта (валовая выемка). Это обусловлено ограниченными возможностями применяемого оборудования для раздельной (селективной) выемки.

Перспективным в плане селективной разработки месторождения является применение поточной технологии на базе роторно-конвейерных комплексов и погрузочно-выемочных машин (комбайнов).

Таблица 1

Физико-механические и деформационные свойства углей Эпьгинского месторождения

Плотность, кг/м3 Предел прочности, МПа Коэффициент хрупкости Коэффициент крепости по Протодьяконову

на одноосное сжатие на растяжение

1,35 3,8 0,3 12,6 1,1

Таблица 2

Показатели физико-механических и деформационных свойств коренных пород Эпьгинского месторождения

Породы % участия пород в разрезе Прочность на сжатие Рсж, МПа Прочность на растяж. Рр, МПа Коэффиц. хрупкости Коэфф. крепости

Ундыткатская свита

Конгломераты 5,6 41,8 8,0 4,6 2-10

Г равелиты 2,0 60,3 8,4 8,6 5-9

Песчаники кз 18,4 66,6 8,5 6,5 3-9

Песчаники сз 30,9 75,7 9,1 8,9 3-13

Песчаники мз 20,8 77,9 9,1 9,7 4-13

Алевролиты 11,5 60,2 6,7 10,0 1-13

Нерюнгриканская свита

Песчаники кз 10,3 45,1 6,7 6,5 3-8

Песчаники сз 18,9 59,6 7,7 8,9 3-11

Песчаники мз 26,4 72,1 7,4 9,7 3-13

Алевролиты н.д. 49,3 5,3 9,3 3-8

В работе [1] исследована возможность применения роторных экскаваторов на данном месторождении. Выполнена оценка условий разработки, характера расположения, мощности угольных пластов и пропластков Эль-гинского месторождения с позиции их разработки роторными экскаваторами. Рассчитаны значения удельного сопротивления копанию коренных пород и углей месторождения.

На добыче угля лимитирующими факторами применения роторных экскаваторов является мощность угольных пластов и толщина внутриугольных прослоев. При большой их мощности, они могут разрабатываться только после предварительной подготовки.

На основе анализа геологического строения пластов, наиболее перспективными к отработке роторными экс-

каваторами являются пласты У4, У5, Н15, Н16 со средней мощностью 4,99,8 м. Разработка этих пластов предусматривается валовым способом при содержании породных прослоев в угольных пластах: У4 - 12,4 %, У5 -

13,5 %, Н15 - 13,9 % и Н16 - 4,9 %. При этом, конечно, валовый способ разработки способствует загрязнению угля.

Область применения роторных экскаваторов по остальным угольным пластам, предназначенным к открытой разработке, ограничена их малой мощностью. Ряд сближенных пластов У14, У13, У12 общей мощностью 12 м не может разрабатываться роторными экскаваторами, так как между этими пластами есть породные прослои от 1,2 до 6 м повышенной крепости (! = =4-8 по Протодьяконову).

Таблица 3

Техническая характеристика машины типа КСМ-2000Р

Показатели

Расчетная номинальная производительность в рыхлой массе, м3/ч 2000

Расчетная техническая производительность по плотной массе , м3/ч 1400

Ширина захвата (полосы), м 7,0

Диаметр рабочего органа, м 4,8

Наибольшая высота отрабатываемого слоя, м 3,0

Мощность привода рабочего органа, кВт 1100

Скорость хода при расчетной производительности, м/ мин 1,3

Масса машины 520

Удельная энерговооруженность (при расчетной производительности) 0,79

кВтхч/м3.

Применение роторных экскаваторов только на угольных пластах У14, У13, У12 при их небольшой (до 4,5 м) мощности, с использованием для разработки породных прослоев другого оборудования экономически нецелесообразно.

По анализу приведенных условий, очевидно, что необходимо рассмотреть также перспективы и возможность использования при эксплуатации Эльгинского месторождения других типов выемочно-погрузочных машин, более приспособленных к селективной тонкослоевой выемке. В настоящее время широко апробировано как за рубежом, так и в СНГ и России применение выемочно-погрузочных машин (карьерных комбайнов) нового поколения - типа УДБМ, ШБМ, КБМ [2]. Это оборудование позволяет осуществлять выемку горных пород тонкими слоями мощностью до 600 мм. Благодаря высоким значениям развиваемых усилий резания, эти машины могут успешно разрабатывать породы прочностью на сжатие до 60-80 МПа без использования буровзрывных работ.

Фирмой "Крупп Фордертехник" и Институтом горного дела им. А. А. Скочинского применительно к условиям отработки угольных месторождений Кузбасса, Восточной Сибири и

других аналогичных регионов были разработаны параметры машины КСМ-2000Р (табл. 3) [3]. Испытания показали, что эта техника универсальна, хорошо приспособлена к различным горнотехническим условиям. Она может эффективно применяться для вскрышных работ при относительно больших объемах выемки; одновременно производя селективную разработку сложноструктурных пластов.

Конструктивные возможности КСМ-2000Р способствуют селективной выемке, так как необходимые по условиям горных работ параметры уступов при применении этих машин можно задать практически в любом диапазоне, количеством отрабатываемых в уступе слоев и количеством полос в слое. Так, высота отрабатываемого машиной слоя может изменяться от 100 мм до 3 м.

Послойная отработка уступов может осуществляться при погрузке горной массы в перемещающийся непосредственно за машиной автосамосвал или на межуступные консольные перегружатели. При этом наиболее эффективно применение комбайнов КСМ-2000Р в сочетании с конвейерным транспортом.

Г одовая производительность машины КСМ-2000Р при номинальных

параметрах забоя и расчетной технической производительности 1400 м3/ч составляет 4,4 млн. м3 при автомобильном и 5,0 млн. м3 при конвейерном транспорте [3, 4].

Количественная сравнительная оценка технических показателей экскаваторов типа ЭКГ и экскава-ционной машины КСМ-2000Р применительно к разработке горных пород крепостью 2-4 по Протодья-конову определила основные преимущества КСМ-2000Р. Они заключаются в значительном (в 1,5-2,5) раза, снижении удельной металлоемкости; возможности отработки высоких уступов; возможности применения поточной технологии с конвейерной доставкой вскрышных пород без додраблива-ния горной массы перед транспортировкой; повышении селекции угля при разработке сложноструктурных угольных пластов.

Результаты испытаний КСМ-2000Р на разрезе Талдинский [5] показали, что целесообразный интервал применения машины охватывает различные литологические разности пород с пределом прочности на сжатие до 7080 МПа, даже при наличии в разрабатываемом массиве породных прослоев с пределом прочности при сжатии до 120 МПа.

На выбор того или иного способа селективной отработки горного массива, в первую очередь влияет по двигание фронта работ, геометрия залегания угольных пластов.

При работе машин типа КСМ продольными заходками, если угол падения не превышает конструктивно допустимого уклона работы (для КСМ-2000Р эта величина составляет 5-6 град.), при подвигании забоя по простиранию отрабатываемого массива реализуются наиболее благоприятные условия селективной выемки. Теоретически при этом потери полезного

ископаемого исключены. При увеличении углов падения пластов неизбежны потери (засорение) угля при отработке на контакте уголь-порода. Величина потерь определяется отношением линейных параметров отрабатываемых пластов и рабочего оборудования экскавационной машины (особенно его ширины). Наиболее неблагоприятными в этом отношении являются углы падения пластов в диапазоне от 5 до 20 град. В условиях Эльгинского месторождения пласты угля имеют пологое залегание от 2 до 5 град.

Все угольные пласты Эльгинского месторождения можно разделить на две группы. К первой группе пластов малой мощности относятся верхние угольные пласты, всего 9 шт. Мощность этих пластов находится в пределах 1,17-2,84 м. Ко второй группе пластов большой мощности относятся нижние угольные пласты Н15, Н16, У4, У5. Эти четыре пласта содержат около 75 % запасов всего месторождения.

Анализ распределения мощности угольных пластов показал, что в пластах У4, У5, Н16 распределение мощностей угля равномерное в интервале 4,2-12,6 м, в пласте Н15 - в интервале 4,2-8,4 м.

Наибольшую среднюю мощность угля имеет пласт Н16 - 9,3 м; далее У5-8,9 м, У4-6,6 м и Н15 - 4,2 м; то же по средней мощности породных прослоев: У5-1,2 м, У4 - 0,9 м, Н15 - 0,7 м, Н16 - 0,5 м.

В целом содержание породных прослоев в угольных пластах составляет: У4 - 12,4 %, У5 - 13,5 %, Н15 -13,9 % и Н16 - 4,9 %.

Породные прослои представлены углистыми алевролитами и углистыми аргиллитами, алевролитами, песчаниками мелкозернистыми, реже среднезернистыми.

Анализ распределения толщины породных прослоев по пластам,

предлагаемым к отработке селективным способом показал, что в пласте У5 около 70 % приходится на толщину до 0,5 м; в пласте У4 распределение толщины равномерное, в интервале 0,2 - 2,0 м; в пласте Н15 большее количество пропластков мощностью до 0,5 м и в пласте Н16 до 80% приходится на интервал суммы толщин 0,2 - 1,0 м.

С учетом того фактора, что количество породных прослоев в пластах может доходить до 12, рассмотрим способы разработки пластов.

Пласт У4.Учитывая, что примерно половина всех значений мощности угля не превышает 4,2 м и распределение породных прослоев равномерное, в диапазоне 0,2-2,0 м, необходимо производить селективную выемку. Так как в рассматриваемом пласте имеется породный прослой мощностью 3,4 м, то его придется разрабатывать в 2 слоя.

Пласт У5. Данный пласт также целесообразно разрабатывать селективным способом. Пласт имеет 12 породных прослоев, большая часть из которых мощностью от 0,2 до 0,5 м.

Пласт Н15. Большинство значений мощности угля находится в пределах до 8,4 м. Породные пропластки распределены по мощности в диапазоне 0,2-1,0 м. Разработка пласта также может производиться селективно.

Пласт Н16. Значения мощности угля в основном лежат в пределах 8,4-

12,6 м. Толщина породных пропластов находится в пределах 0,1-0,5 м.

Валовая разработка породных

прослоев вместе с основной массой пласта возможна в случае, если в одном экскавируемом слое находятся несколько пропластков толщиной

0,05-0,08 м.

По результатам расчетов производительность машины КСМ-2000Р по

породным прослоям может примерно составить: по алевролитам - 710 м3, песчаникам мелкозернистым: 490-540 м3 и по песчаникам среднезернистым 630 м3. По другим породным прослоям (углистым алевролитам и углистым аргиллитам) производительность не рассчитывалась, так как неизвестны их физико-механические свойства. Можно предположить, что производительность по этим породам будет значительно выше, так как в них имеются прослои угля.

Главные преимущества использования машин типа КСМ-2000Р в условиях Эльгинского месторождения заключаются в следующем.

1. На месторождении существуют самые оптимальные условия для селективной разработки данными машинами, то есть пласты угля имеют пологое (2-5 градусов) залегание.

2. Прогнозируется существенное улучшение показателей селекции при отработке сложноструктурных пластов угля, преобладающее количество которых (62 %) относится к тонким (мощность 1-3 м).

3. Обеспечивается возможность отработки как вдоль, так и поперек простирания пласта, удобство отработки уступов большой высоты, высокая маневренность при выполнении различных технологических операций.

4. Реализуется возможность применения единых комплексов механизации на разработке вскрыши и добыче угля, что значительно упрощает организацию работ.

5. При использовании выемочнопогрузочных машин типа КСМ-2000Р для безвзрывной разработки вскрышных пород и углей Эльгинского месторождения значительно снизится экологическая нагрузка на окружающую природную среду и повысится безопасность горных работ.

1. Ермаков С.А., Бураков А.М. К вопросу применения роторных экскаваторов для отработки угольных пластов Эльгинского место-рождения//Уголь.- 1998- №2. С. 34-36.

2. Мировая горная промышленность. История. Достижения. Производство/ М.Н.Т.Ц. - М.: "Горное дело", 2005.- 520 с.

3. Коваленко С.К., Шендеров А.И., Штейнцайг Р. М. Совершенствование технологических процессов горного производства на угольном разрезе "Талдинский"//Уголь.-

1997.- № 1.- С. 17-20.

4. Литвинов Ё.Р. Области и условия эффективного применения машин послойного фрезерования//Горный вестник.-

1998.- №6.- С. 85-92.

5. Краснянский Г.Л., Штейнцайг Р.М., Рудольф В., Коваленко С.К. Опыт создания и перспективы освоения в горнодобывающей промышленности машин нового поколения КСМ-2000РМ//Уголь. 1998,- №4,- С. 16-21. ЕШ

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------

Ермаков С.А., Бураков А.М., Хосоев Д.В. - Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН,

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 16 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.С. Кузьмин.

----------------------------------- © С.В. Панишев, С.А. Ермаков,

Н.Ф. Осипова, 2008

УДК 622.271.4(571.56)

С.В. Панишев, С.А. Ермаков, Н.Ф. Осипова

НОВЫЙ СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД

Семинар № 16

Разработка вскрышных пород пластовых месторождений по бестранспортной технологии характеризуется значительным разнообразием схем, отличающихся количеством, расстановкой и способами экскавации.

Общим в этих схемах является наличие подготовленного пространства со стороны внутренних отвалов для укладки внешней и внутренней вскрыши (междупластья). Междупла-стье может разрабатываться как непосредственно с его кровли, так и с